У жовтні 2022 р. міжнародна група дослідників, серед яких були астрофізики Північно-Західного університету (Northwestern University), спостерігала найяскравіший гамма-спалах (gamma-ray burst, GRB) 221009A, який коли-небудь було зареєстровано.

Тепер наукова група під керівництвом дослідника з Північно-Західного університету підтвердила, що явище, відповідальне за історичний спалах, який отримав назву B.O.A.T. («brightest of all time» — «найяскравіше за всі часи») — це колапс і подальший вибух масивної зорі. Наукова група виявила вибух або наднову за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST) NASA. Результати дослідження опублікував журнал Nature Astronomy.

Хоча це відкриття розкриває одну таємницю, інша стає ще загадковішою. Раніше астрономи висловили припущення, що докази утворення важких елементів, таких як платина та золото, можна знайти під час спалаху наднових, тобто такого явища, що спричинило появу GRB 221009A. Однак масштабні пошуки не виявили ознак, що вказують на утворення таких елементів під час цього спалаху. Походження важких елементів у Всесвіті залишатися одним із найбільших відкритих питань астрономії.

«Коли ми підтвердили, що GRB спричинений колапсом масивної зорі, це дало нам можливість перевірити гіпотезу про те, як утворюються деякі з найважчих елементів у Всесвіті», — сказав Пітер Бланшар (Peter Blanchard) з Northwestern, який керував дослідженням.

«Ми не бачили ознак цих важких елементів. Це свідчить про те, що під час надзвичайно енергійних GRB, таких як B.O.A.T., ці елементи не виникають. Це не означає, що всі GRB їх не виробляють, але це головна частина інформації, оскільки ми намагаємося зрозуміти звідки беруться ці важкі елементи. Майбутні спостереження за допомогою JWST визначать, чи виникають вони під час “нормальних” спалахів, своєрідних “двоюрідних братів” B.O.A.T.»

Народження B.O.A.T.

Коли випромінювання GRB 221009A досягло Землі 9 жовтня 2022 року, B.O.A.T. був таким яскравим, що «засліпив» більшість детекторів гамма-променів у світі. Потужний вибух стався приблизно за 2,4 мільярда світлових років від Землі, в напрямку сузір’я Стрільця, і тривав кілька сотень секунд. Коли астрономи спостерігали це неймовірно яскраве явище, їх одразу охопило почуття благоговіння.

«Відтоді, як ми навчилися виявляти гамма-спалахи, немає сумніву, що цей гамма-сплеск є найяскравішим з усіх, які ми коли-небудь спостерігали, в 10 або більше разів», — заявив тоді Вен-фай Фонґ (Wen-fai Fong), доцент кафедри фізики та астрономії в Коледжі мистецтв і наук Вайнберґа Northwestern, а також співробітник центру міждисциплінарних студій і досліджень в астрофізиці (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics, CIERA) цього університету.

«Подія породила фотони з найвищою енергією, які коли-небудь реєстрували супутники, призначені для виявлення гамма-променів», — сказав Бланшар. «Це була подія, яку Земля переживала лише раз на 10 000 років. Нам пощастило жити в часи, коли у нас є технологія, щоб виявляти ці спалахи, що відбуваються всюди у Всесвіті. Спостерігати таке рідкісне астрономічне явище, як B.O.A.T., є захопливим, як і працювати над тим, щоб зрозуміти фізику цієї виняткової події».

«Звичайна» наднова

Замість того, щоб негайно спостерігати за подією, Бланшар, його близький співробітник Ешлі Віллар (Ashley Villar) з Гарвардського університету та їхня «команда» хотіли побачити GRB на його пізніх фазах. Приблизно через шість місяців після першого виявлення GRB Бланшар за допомогою JWST досліджував наслідки спалаху.

«GRB був таким яскравим, що затьмарював будь-які потенційні ознаки наднової в перші тижні та місяці після спалаху», — сказав Бланшар. «У цей час так зване післясвітіння GRB було схоже на фари автомобіля, що їде прямо на вас, не даючи вам побачити самого автомобіля. Отже, нам довелося дочекатися, поки воно значно згасне, щоб ми отримали шанс побачивши наднову».

Бланшар використовував спектрограф для ближнього інфрачервоного випромінювання (Near Infrared Spectrograph) JWST, щоб спостерігати світло від об’єкта в інфрачервоному діапазоні. Саме тоді він побачив характерні ознаки таких елементів, як кальцій і кисень, які зазвичай містяться в наднових. Дивно, але інфрачервоне випромінювання не було таким яскравим, як неймовірно яскравий GRB, який воно супроводжувало.

«Воно було не яскравіше, ніж у попередніх наднових», — сказав Бланшар. «Це має досить нормальний вигляд в контексті інших наднових, пов’язаних із менш енергетичними гамма-сплескими. Можна очікувати, що зоря, яка зазнає колапсу і створює дуже енергійний і яскравий гамма-спалах, також породить дуже енергійну та яскраву наднову. Але виявляється, що це не так. У нас є надзвичайно яскравий GRB, але звичайна наднова».

Важкі елементи відсутні

Після підтвердження — вперше — наявності наднової зорі, Бланшар і його співробітники почали шукати докази наявності в ній важких елементів. Нині астрофізики мають неповну картину всіх механізмів у Всесвіті, які можуть виробляти елементи, важчі від заліза.

Основний механізм утворення важких елементів, процес швидкого захоплення нейтронів, вимагає високої концентрації нейтронів. Поки що астрофізики підтвердили лише появу важких елементів внаслідок цього процесу під час злиття двох нейтронних зір — зіткнення, яке виявила Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) у 2017 році.

Але науковці кажуть, що мають бути інші способи виробництва цих невловимих матеріалів. У Всесвіті просто занадто багато важких елементів і занадто мало злиття нейтронних зір.

«Ймовірно, є інше джерело», — сказав Бланшар. «Для злиття подвійних нейтронних зір потрібно дуже багато часу. Дві зірки в подвійній системі спочатку мають вибухнути, щоб виникли нейтронні зорі. Потім можуть знадобитися мільярди і мільярди років, щоб дві нейтронні зорі повільно зблизилися і нарешті злилися в одне ціле.

«Але спостереження за дуже старими зорями показують, що різні ділянки Всесвіту були збагачені важкими металами ще до того, як більшість подвійних нейтронних зір встигли злитися. Це вказує нам на альтернативний процес».

Астрофізики висунули гіпотезу про те, що важкі елементи також можуть утворюватися внаслідок колапсу масивної зорі, яка швидко обертається — саме того типу зір, що породила B.O.A.T. Використовуючи інфрачервоний спектр, отриманий за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, Бланшар вивчав внутрішні шари наднової, де повинні утворюватися важкі елементи.

«На ранніх етапах вибуху речовина зорі непрозора, тому ви можете побачити лише зовнішні шари», — сказав Бланшар. «Але як тільки речовина зазнає розширення і охолодження, вона стає прозорою. Тоді ви можете побачити фотони, що виходять із внутрішнього шару наднової».

«Ба більше, різні елементи поглинають і випромінюють фотони на різних довжинах хвиль, залежно від їхньої атомної структури, надаючи кожному елементу унікальний спектральний підпис», — пояснив Бланшар. «Тому дивлячись на спектр об’єкта, ми можемо сказати, які елементи в ньому присутні. Досліджуючи спектр B.O.A.T., ми не побачили жодних ознак важких елементів. Це свідчить про те, що екстремальні події, такі як GRB 221009A, не є первинними джерелами. Це важлива інформація, бо ми досі намагаємося визначити, де утворюються найважчі елементи».

Чому так яскраво?

Щоб відрізнити випромінювання наднової зорі від яскравого післясвітіння, яке виникло перед нею, дослідники поєднали дані, отримані за допомогою JWST, із результатами спостережень, виконаних на Великій міліметровій/субміліметровій антені Атакама (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, ALMA) у Чилі.

«Навіть через кілька місяців після виявлення спалаху післясвітіння було досить яскравим, щоб внести багато світла в спектри JWST», — сказав Танмой Ласкар (Tanmoy Laskar), доцент кафедри фізики та астрономії в Університеті Юти та співавтор дослідження.

«Об’єднання даних з двох телескопів допомогло нам точно виміряти, яким яскравим було післясвітіння під час наших спостережень на JWST, і дало нам змогу ретельно виділити спектр наднової».

Хоча астрофізики ще не з’ясували, як зруйнована зоря спричинила «звичайну» наднову і рекордний гамма-спалах, Ласкар сказав, що це може бути пов’язано з формою та структурою релятивістських струменів. Масивні зорі, що швидко обертаються, колапсують у чорні діри. При цьому виникають струмені речовини, яка рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Якщо ці струмені вузькі, вони створюють більш сфокусований і яскравіший промінь світла.

«Це як сфокусувати промінь ліхтарика у вузьку колону, на відміну від широкого променя, який проходить по всій стіні», — сказав Ласкар. «Насправді, це було одне із найвужчих джерел гамма-спалаху, яке досі спостерігали астрономи. Це дає нам підказку про те, чому післясвітіння було таким яскравим. Можливо, також є інші фактори, відповідальні за таке явище. Дослідники будуть вивчати вказане питання протягом багатьох років».

Додаткові підказки також можуть з’явитися завдяки майбутнім дослідженням галактики, в якій стався B.O.A.T. «На додаток до спектру самого B.O.A.T., ми також отримали спектр його материнської галактики», — сказав Бланшар. «Спектр показує ознаки інтенсивного зореутворення, натякаючи на те, що середовище народження зорі, передвісника гамма-спалаху, може відрізнятися від тих, які науковці спостерігали досі».

Член наукової групи Іцзя Лі (Yijia Li), аспірант Пенсильванського університету, змоделював спектр галактики і виявив, що головна галактика B.O.A.T. має найнижчу металічність, міру надлишку елементів, важчих за водень і гелій, з усіх попередніх материнських галактик GRB. «Це ще один унікальний аспект B.O.A.T., який може допомогти пояснити його властивості», — сказав Лі.

За інф. з сайту https://phys.org